分布式風能-光能-沼氣互補儲能的供暖系統應用探索研究

周國峰，胡曉稼，周辰旭，張金航，李滿峰

(華北水利水電大學環境與市政工程學院，鄭州 450046)

1 研究背景及意義

目前，邊防哨所地區由于環境惡劣、位置偏遠和資源匱乏，不具備集中供暖條件，因此大部分邊防哨所地區仍沿用燃煤鍋爐自供暖方式。然而，使用燃煤鍋爐供暖存在安全隱患多和對環境污染較大的問題。但是，邊防哨所地區普遍具有豐富的風能和光能，如果能將其合理地運用，將會極大程度改善邊防哨所地區的能源匱乏問題[1]。

作為可再生能源，風能與光能以其取之不盡、用之不竭、就地可取和分布廣泛等優點逐漸受到各國的重視，已經成為新能源領域中開發利用水平高、技術成熟和商業化發展前景的新型能源。然而，風能和光能的發電量受天氣的影響較大，風光發電不穩定。為此，需要在這些發電系統中增加相應的儲能裝置，實現對電能的存儲來保證風光發電不足時能正常供應供暖所需要的耗電量[2]。

為解決上述邊防哨所供暖存在的問題，本文設計出了一套更加完善的供暖系統來保證邊防哨所地區的供暖需求，并對發電問題以及儲能問題進行了相關分析，同時對供暖問題進行了相關的創新和整合，提出了“分布式風能-光能-沼氣互補儲能的供暖系統”的概念。

2 工作原理

通過使用風光互補發電系統向電加熱鍋爐提供電量和加熱供暖系統所需要的熱水。同時，利用超級電容器的快速充放電與電容量大的特點在保證供電的穩定性的基礎上對電能進行大量儲存。邊防哨所供暖熱用戶的回水首先流經沼氣池的底部，利用回水的余熱來維持沼氣池的最佳產氣條件，以保證充足的氣源。當風光互補發電系統供電量不足時，利用控制系統自動打開燃氣鍋爐，利用沼氣的燃燒持續為邊防哨所供暖。經過沼氣池后的回水重新輸送回鍋爐，加熱后再次向邊防哨所熱用戶供暖。

3 系統整體設計方案

基于目前的風光互補發電系統，我們設計了該分布式風能-光能-沼氣互補儲能的供暖系統，其系統流程如圖1所示。

圖1 系統流程圖

太陽能電板模塊和風力發電機組向電加熱鍋爐提供電量，超級電容器對多余電能進行儲存。供暖回水流經沼氣池底部以維持生物質最佳產氣條件。最不利條件下，控制系統自動打開燃氣鍋爐，利用生物質能為邊防哨所供暖。

3.1 風光互補發電模塊

北方邊防哨所地區存在著充足的風能與光能，因此將風光互補發電模塊運用到我們的系統中。經過設計計算，決定采用占地面積為1 000 m3的太陽能電池板模塊NE-10000G與三座功率為10 kW的風力發電機組為系統提供電能[3]。

3.2 超級電容器儲能模塊

超級電容器內部有正極和負極兩塊極板，當有電壓作用在極板上后，正負極板會各自存儲不同極性的電荷從而兩板之間會有電勢差的存在并形成一個電場，在電場的作用下電解液中的離子迅速向兩極板靠攏并形成電荷層。目前市面上廣泛使用的超級電容器多為活性炭材料，活性炭表面多孔的特征也使得可接觸的電極表面積增大，因此相比傳統的蓄電池而言超級電容器的容量非常大。超級電容器示意圖如圖2所示。

圖2 超級電容器示意圖

由圖2可知，當外部電壓作用在兩極板上并存在電勢差時，電解液中的電荷會通過移動在電解液界面形成雙電層。相比于電池類產品將能量通過氧化還原反應存儲在相應的化學鍵中，超級電容器的電荷只是暫時停留在活性物質的表面，基于兩種存儲機制的不同，超級電容器的充放電速度遠遠快于普通的電池?；诔夒娙萜鞯膬烖c，我們決定用它代替傳統的蓄電池儲能，保證供暖系統的穩定[4]。

3.3 沼氣儲能模塊

沼氣儲能模塊由四個半徑為5 m的半球型沼氣池組成。在沼氣池底部布置回水管道，采用輻射供暖的方式，利用熱用戶回水的余熱來保證沼氣池內部的受熱均勻，使其內部溫度維持在30～35 ℃，保證充足的氣源。在風光發電量不足時，利用沼氣的燃燒來保證邊防哨所熱用戶的供暖需求。

3.4 自動控制模塊

在電加熱鍋爐不能維持供暖系統所需的供水溫度時，需要立即啟動燃氣鍋爐，保證供暖系統的穩定運行。由于人工操作存在一定的滯后性，我們設計了自動控制模塊來啟動或關閉燃氣鍋爐，自動控制模塊如圖3所示。

圖3 自動控制模塊

在電加熱鍋爐出口的供水管設置溫度感受器，當供水溫度低于設計要求時，通過自動控制模塊啟動燃氣鍋爐來維持供水溫度。當溫度低于設定值時，迅速將信號傳輸給PCL控制系統的信號接受器，然后信號接受器將信號傳輸給信號處理器，指令控制器將根據信號處理器的處理結果，向電動控制閥發送開啟指令，電動控制閥將打開，啟動燃氣鍋爐維持正常的供水溫度[5]。

4 理論設計計算

以東極邊防哨所為例[6]。

4.1 供暖熱負荷計算

東極哨所各氣象參數見表1，各圍護結構及其傳熱系數見表2。

表1 東極哨所各氣象參數

表2 各圍護結構及其傳熱系數

通過表1和表2的相關參數，由公式：

Q=K×A×△T

(1)

式(1)中，Q為圍護結構的基本耗熱量，W；K為圍護結構的傳熱系數，W/(m2·℃)；A為圍護結構的面積，m2，△T為溫度差，℃。

求出各圍護結構基本耗熱量，考慮實際情況需要對熱負荷進行修正。

4.1.1 圍護結構附加耗熱量Q1

(1)朝向修正率：南向取為-20%。

(2)風力附加率：取外圍護結構熱負荷附加5%～10%。

(3)外門附加率：公共建筑或生產廠房的主要出入口取附加率為500%。

(4)高度附加率：查規定：當民用建筑和工業企業輔助建筑的房間凈高超過4 m時，每增加1 m附加率為2%，但最大附加率不超過15%。

4.1.2 門窗縫隙滲透入冷空氣的耗熱量Q2

門窗縫隙滲透入冷空氣的耗熱量

Q2=0.027 8×L×ρaocp(tR-to·h)

(2)

總負荷Q=Q′+Q1+Q2

(3)

式(2)和式(3)中，Q為總負荷，W；Q′為基本耗熱量，W；Q1為加熱門窗冷風滲透耗熱量，W；Q2為加熱外門冷風侵入耗熱量，W；L為滲透冷空氣量，m3/h；可按《規范》附錄F.0.2給出的公式計算；ρao為供暖室外計算溫度下的空氣密度，kg/m3；cp為空氣定壓比熱，cp=1 kJ/(kg·℃)；tR為室外計算溫度，℃；to·h為供暖室外計算溫度，℃。

由公式(2)求得門窗縫隙滲透入冷空氣的耗熱量。將基本耗熱量、修正后的耗熱量和附加耗熱量相加得到整棟建筑物的熱負荷Q為52 729 W。

4.2 風光系統供電量計算

以該熱負荷為基礎，設計邊防哨所的供熱負荷為60 kW。查得電加熱鍋爐轉換效率η1為90%，得到風光發電系統對電加熱鍋爐提供的電能為：

(4)

將該電功率乘以1.1得到一定的富余量，得到風光互補發電系統應提供的電能為：

Q4=k×Q3

(5)

式(4)和(5)中，k為富裕系數，取k為1.1；Qh為熱負荷，kW；Q3為電加熱鍋爐需要的電能，kW；Q4為設計風光互補發電系統需要提供的電能，kW；η1為電加熱鍋爐轉換效率，取η1為90%。

由上式得到所需電功率為73.7 kW，取為75 kW，分別由風光系統兩者承擔。

4.2.1 太陽能和風能發電系統規格確定

將75 kW的功率按3∶2進行分配，使得風力發電和光能發電分別承擔的發電功率為45 kW和30 kW。

查得東極邊防哨所全年平均的風能功率密度為200～300 W/m2，取風能功率密度q1為240 W/m2。

有效發電功率密度：

q2=q1×η2=120 W/m2

(6)

風力發電機有效發電面積：

(7)

A2=π×R2

(8)

A1=n×A2

(9)

式(6)～(9)中，q1為東極邊防哨所地區風能密度，取q1=240 W/m2；q2為有效發電功率密度，W/m2；Q5為風能承擔的發電功率，取Q5=45 kW；η2為風電轉換效率，取η2為50%；A1為風力發電機有效發電面積，m2；A2為單個風力發電機有效發電面積，m2；R為風力發電機的扇葉半徑，m；n為風力發電機組的組數，組。

初步選定三個風力發電機提供電量，則由計算得到所選取的風力發電機的扇葉R≈6.4 m。

查得東極邊防哨所地區全年平均太陽輻射功率密度在130～158 W/m2之間，取太陽輻射功率密度q3為150 kW/m2，取光電轉換效率η3為25%，則：

有效發電功率密度：

q4=q3×η3=37.5 kW/m2

(10)

太陽能發電板面積 ：

A3=Q6/q4=800m2

(11)

式(10)和(11)中，q3為太陽輻射功率密度，取q3為150 kW/m2；q4為有效發電功率密度，W/m2；η3為光電轉換效率，取η3為25%；Q6為太陽能發電系統供給電量，取Q6為30 kW；A3為太陽能發電板面積，m2。

計算得太陽能發電板所需面積為800 m2。為了避免在實際操作中出現供給不足的狀況，需要留取一定的富裕度，因此我們確定太陽能板的面積為1 000 m2。

4.2.2 超級電容器儲能組數的確定

選取直流電壓為Uc為187 MJ，儲能量S為3.8 MJ，額定功率P為10 kW的超級電容器。設計在最不利天氣下，風光系統停止工作，白天的14 h供暖時間內電加熱鍋爐所需的耗電量全由超級電容儲能器提供，耗電量計算如下：

白天14 h所需電量總值為

Q7=t·Qh·η1=3 600 MJ

(12)

式(12)中，t為最不利條件下所需電量的時長，取t為50 400 s；Qh為邊防哨所的供熱負荷，取Qh為60 kW；η1電為加熱鍋爐轉換效率，取η1為90%；Q7為最不利條件下所需電量。

由于單個電容器組所能儲存的電量S為3.8 MJ，因此所需的電容器組數N的值為：

(13)

式(13)中，Q7為超級電容器的儲電量；N為超級電容器的組數。

4.3 沼氣所需量等數據相關計算

沼氣易制易得，熱值大，環境污染小，因此我們選擇沼氣進行供暖。沼氣在整個系統中作為輔助設備與風光發電系統和超級電容儲能裝置相互配合。當風光互補發電量不足時啟動燃氣鍋爐來保證邊防哨所的供暖需求。

4.3.1 沼氣需求量計算

以最不利狀況為例，按夜晚10 h的供熱量全由沼氣的燃燒提供。假設半球體沼氣池的數量為4個，由于供暖熱負荷為60 kW，因此每個沼氣池所承擔的熱負荷Q8為15 kW。查得燃氣鍋爐的效率為η4為90%，則：

每個沼氣池產生的沼氣燃燒所提供的熱負荷

Q9=Q8/η4=16.66 kW

(14)

每個沼氣池需要產生的沼氣量

V=V1×t=24 m3

(15)

式(14)和(15)中，Q8為單個沼氣池所承擔的熱負荷，kW；Q9為單個沼氣池產生沼氣燃燒所提供的熱負荷，kW；V1為單個沼氣池每秒需要供給的沼氣量，取V1為0.000 666 67 m3。

4.3.2 沼氣池尺寸的計算

每立方米沼氣池地窖可以產出0.15 m3的沼氣，則所需的沼氣池的體積為：

V總=V/0.15=160 m3

(16)

(17)

V總=V設

(18)

式(16)～(18)中，V為每天需要的沼氣量，m3；V總為所需的沼氣池的體積，m3；V設為設計建筑的沼氣池的體積，m3；R為設計建造的沼氣池的半徑，m。

4.4 系統經濟性分析

風光發電系統總發電功率為75 kW，因此工作一天供電量w=75 kW×24 h=1 800 kW·h，目前居民的用電價格為0.58元/(kW·h)。假定每年供暖期為8個月(每月按30 d計算)，則每年可節省電費開支為0.58元/(kW·h)×240 d×1 800 kW·h=250 560元。

同時如果使用該系統的供熱設備作為取代當地供暖的燃煤鍋爐，經計算可一年大致可節省91 300 t的燃煤量，總體分析后該系統既經濟又環保。系統投資預算表見表3。

5 結語

基于北方邊防哨所供暖問題，以東極哨所為例，提出了一種“分布式風能-光能-沼氣互補儲能供暖系統”來保證冬季的供暖需求。根據當地氣象參數和供暖需求量，綜合分析該系統具有經濟、環保等優點，主要結論如下：

表3 系統投資預算表

(1)新分布式風能-光能-沼氣互補儲能的供暖系統運用了自動控制裝置，實現了燃氣鍋爐的自動切換。

(2)采用超級電容器實現了對電能的大量儲存，并保證了電網內的穩定；充分利用余熱，依靠回水的余熱使沼氣池內部保持在最佳產氣條件。

(3)因地制宜，根據邊防哨所特殊的地理、環境因素設計出了一套清潔、環?？煽康墓┡到y。

該系統對于邊海防哨所地區、集中供暖未覆蓋以及新建工業園區等地區的供暖具有很大的應用價值，這些地區缺少能源的供給，很難保證正常的供暖需求。我們所設計的系統能夠很好的解決這些問題，具有廣闊的推廣應用前景。